Alte prestazioni per i fari dell’auto

Si prevede che il mercato dei Led ad alta luminosità toccherà quota 12 miliardi di dollari nel 2012, per raggiungere i 20,2 miliardi di dollari entro il 2015, con un tasso medio di crescita del 30,6% (fonte: Strategies Unlimited). Uno dei settori principali che guida questa crescita è quello dei Led utilizzati nei progetti di automobili. Le applicazioni vanno dai fari, alle luci diurne e di arresto, agli indicatori di direzione, alla retroilluminazione dei display per cruscotti, alle luci di cortesia. Quasi tutti i nuovi modelli di auto offrono luci diurne a Led che i clienti richiedono per motivi estetici e di sicurezza. La Honda ha installato luci diurne a Led sulla maggior parte dei modelli Accord 2013 e offre fari a Led nei modelli Tourer e ibrido. Per mantenere questo tasso di crescita i Led, oltre a garantire una maggiore affidabilità, consumi ridotti e fattori di forma più compatti, devono offrire soluzioni innovative, come fari orientabili e dimming antiriflesso. Inoltre, in un ambiente come quello dell'auto, tali miglioramenti devono essere ottimizzati e, allo stesso tempo, resistere alle asprezze di un ambiente elettrico e fisico relativamente difficile. Inutile dire che queste soluzioni devono offrire ingombri compatti a bassissimo profilo, ma anche un rapporto costo/efficacia migliore. Sebbene i Led siano utilizzati da anni per le luci diurne e di arresto, gli indicatori di direzione e l'illuminazione interna, le applicazioni specifiche per i fari sono relativamente nuove. Oggi pochi veicoli sono dotati di fari a Led; tra questi la Honda Accord, le Audi A8 e R8, la LS600h e la RX450h della Lexus, la Toyota Prius, la Escalade della Cadillac e la Porches Cayenne. Secondo alcune stime l'attuale mercato dei fari a Led ha raggiunto quota 1 miliardo di dollari nel 2012, ma si prevede che supererà i 2 miliardi di dollari nel 2014 e continuerà a crescere in modo esponenziale.
Una delle sfide principali che i progettisti di sistemi di illuminazione per auto devono affrontare è trovare il modo di ottimizzare tutti i vantaggi offerti dall'ultima generazione di Led ad alta luminosità. Questi Led hanno bisogno di una fonte di alimentazione precisa ed efficiente e del dimming e devono offrire diverse funzioni di protezione. Inoltre devono essere progettati in modo da riuscire a soddisfare queste esigenze in condizioni operative diverse. Di conseguenza gli alimentatori devono essere molto efficienti, offrire caratteristiche solide e garantire un'affidabilità elevata, ma anche essere molto compatti ed economici. Probabilmente una delle applicazioni più esigenti per la gestione dei Led ad alta luminosità è rappresentata dai sistemi di illuminazione anteriore (luci diurne e fari) che sono soggetti alle asprezze dell'ambiente elettrico dell'auto, devono fornire una potenza elevata (normalmente da 15W a 75W), essere alloggiati in spazi molto ristretti e avere un prezzo interessante.

Luci diurne e fari a Led
Vantaggi quali le dimensioni ridotte, un ciclo di vita molto lungo, bassi consumi e un dimming migliorato fungono da catalizzatore per favorire la massima diffusione delle luci diurne e dei fari dotati di Led ad alta luminosità. Molti costruttori, tra cui Audi, Mercedes e, più recentemente, Lexus e Honda, hanno utilizzato i Led per creare luci diurne molto particolari, a forma di “sopracciglia” o di “sottolineatura”, che circondano i fari e rendono il marchio unico. Queste applicazioni, oltre ad essere molto particolari dal punto di vista progettuale, offrono molte possibilità di creare una soluzione affidabile ed economica. Possibilità che diventano ancora più evidenti quando i Led ad alta luminosità vengono utilizzati sia nelle luci abbaglianti che in quelle anabbaglianti.
Come tutti sanno, la funzione primaria dei fari consiste nel fornire l'illuminazione anteriore di notte e in presenza di condizioni atmosferiche non troppo favorevoli, come pioggia, neve e nebbia. L'evoluzione del faro nasce dalla necessità di avere a disposizione un'illuminazione di livello superiore. Negli anni 80 le più diffuse nel settore erano le lampade alogene che, con una potenza di 50W, erano in grado di fornire un flusso luminoso di circa 1.500 lumen, con un miglioramento del 50% rispetto alle lampade dotate di filamento di tungsteno, il che si traduce in un rendimento (cioè l'emissione luminosa per watt) o in una luce erogata per watt di 30 lumen/watt (lm/W). A metà degli anni Novanta iniziarono a diffondersi le lampade a scarica ad alta densità allo xeno che erano in grado di fornire fino a 80 lm/W, consentendo ai costruttori di garantire un'emissione luminosa totale ancora maggiore. Ma anche queste lampade hanno alcuni svantaggi: ad esempio, vanno regolate con la massima precisione per evitare di abbagliare le vetture provenienti dalla direzione opposta, hanno un ciclo di vita relativamente breve (2.000 ore), usano vapore di mercurio tossico e hanno costi di produzione elevati. I Led ad alta luminosità diventano sempre più efficienti e, di conseguenza, più interessanti per le applicazioni di illuminazione. Cinque anni fa i Led di questo tipo offrivano un rendimento di 50lm/W che per i fari non era sufficiente; oggi invece arrivano a 100 lm/W ma, secondo alcune stime, nei prossimi anni supereranno i 150 lm/W, andando a sovrastare perfino le lampade Hid migliori. La capacità di offrire praticamente la stessa emissione luminosa per watt ed altri vantaggi, tra cui lunga durata, solidità e design ecologico, rende i Led particolarmente interessanti per l'alimentazione dei fari di nuova generazione. I vantaggi derivanti dall'uso dei Led nei fari e nelle luci diurne per auto comportano una serie di effetti positivi. Innanzi tutto non occorre sostituirli perché hanno una longevità allo stato solido di 100.000 ore (pari a 11,5 anni di servizio) che supera la durata del veicolo. Questo consente ai costruttori di automobile di integrarli nella carrozzeria senza prevedere l'accessibilità per un'eventuale sostituzione. Anche lo styling può essere radicalmente modificato perchè i sistemi a Led non hanno bisogno della profondità o dello spazio necessari alle lampade Hid o alogene. Inoltre i Led ad alta luminosità sono più efficienti delle lampade alogene (e presto supereranno anche le Hid) in termini di emissione luminosa (in lumen) da una fonte elettrica. Questa caratteristica ha due effetti positivi: una riduzione del consumo di energia elettrica dal bus dell'auto, aspetto particolarmente importante nel caso delle auto elettriche e ibride, e, altrettanto importante, una diminuzione della quantità di calore da dissipare nell'alloggiamento, il che rende superfluo l'uso di ingombranti e costosi dissipatori di calore. Infine l'impiego di Led ad alta luminosità, controllati e attenuati elettronicamente, consente di ottimizzare l'illuminazione per le più svariate condizioni di guida.

Parametri di progettazione
Per poter garantire prestazioni ottimali e un ciclo di vita lungo, i Led hanno bisogno di un buon circuito di comando. Questi circuiti devono fornire una fonte di corrente continua precisa ed efficiente e una regolazione della tensione precisa, a prescindere dalle ampie variazioni della tensione in ingresso. In secondo luogo devono offrire il dimming e diverse funzioni di protezione in caso di Led aperti o cortocircuitati. Oltre a garantire un funzionamento affidabile in un ambiente elettrico difficile come quello dell'auto, devono essere economici e poco ingombranti.

Stop/start, avviamento a freddo e load dump
Stanno nascendo tecnologie alternative sempre nuove il cui obiettivo è ottimizzare il consumo di carburante e ridurre al minimo le emissioni di anidride carbonica. Molto probabilmente prevedono anche la funzione stop/start, sia che utilizzino motori elettrici ibridi, diesel pulito o un più tradizionale motore a combustione interna. Questa funzione, già presente in quasi tutti i modelli ibridi del mondo, è stata adottata anche dai costruttori europei e asiatici per i tradizionali veicoli a gas e diesel. Recentemente, negli Usa, la Ford ha annunciato che inserirà i sistemi stop/start in molti dei suoi prossimi modelli destinati al mercato interno. Il concetto del sistema stop/start è molto semplice: arresta il motore quando il veicolo si ferma e lo riavvia quando il veicolo deve ripartire. In questo modo si ottiene una riduzione tra il 5% e il 10% del consumo di carburante e delle emissioni generate quando la vettura è bloccata nel traffico o ferma al semaforo. Ma il problema principale è fare in modo che il conducente non si accorga della presenza del sistema. Sono due gli ostacoli che impediscono di rendere la funzione stop/start invisibile al conducente; il primo è il tempo di riavvio veloce. Usando un motorino di avviamento avanzato, alcuni costruttori hanno ridotto il tempo di riavvio a meno di 0,5 secondi, rendendo il sistema praticamente invisibile. Il secondo problema è fare in modo che tutta l'elettronica, inclusi il climatizzatore e il sistema di illuminazione, venga alimentata direttamente dalla batteria quando il motore è spento, mantenendo, però, una riserva sufficiente a riavviare velocemente il motore quando il conducente preme l'acceleratore. Per poter inserire la funzione stop/start occorre apportare alcune modifiche al propulsore: l'alternatore può sostituire il motore di avviamento avanzato per garantire il riavvio veloce, inoltre va aggiunta un'unità elettronica che controlla quando e come il motore si spegne e si riaccende. La batteria deve essere in grado di alimentare le luci, il controllo ambientale e altri dispositivi elettronici mentre il motore/l'alternatore è spento. Deve anche essere in grado di alimentare il motorino di avviamento quando il motore si riaccende. Questa carica estrema della batteria introduce, però, un altro problema di progettazione, questa volta di natura elettrica, perché l'assorbimento di corrente necessario per riavviare il motore può temporaneamente diminuire la tensione della batteria ad appena 6 V. La sfida per il Led driver consiste nel fornire continuamente una tensione in uscita e una corrente dei Led ben regolate quando la tensione del bus della batteria scende per poco a 6 V, per poi ritornare ai 13,8 V nominali quando il caricatore torna nello stato stazionario.
La condizione di “avviamento a freddo” si verifica quando il motore dell'auto viene esposto a temperature basse o bassissime per un certo periodo di tempo. L'olio del motore diventa molto viscoso e il motorino di avviamento deve trasmettere più coppia, il che comporta, a sua volta, un maggiore assorbimento di corrente della batteria. Questa notevole corrente di carico può portare la tensione della batteria/del bus primario sotto i 6V al momento dell'accensione, dopo di che torna ai 13,8V nominali.
La condizione di “load-dump” si verifica quando i cavi della batteria vengono inavvertitamente staccati mentre l'alternatore sta caricando la batteria. Questa situazione si presenta quando un cavo della batteria si stacca o si rompe mentre l'auto è in funzione. Una disconnessione così improvvisa può provocare picchi di tensione transitoria fino a 60 V mentre l'alternatore tenta di caricare completamente una batteria assente. Di solito i transorbs sull'alternatore bloccano la tensione del bus su un valore compreso tra 30 e 34 V e assorbono la maggior parte del picco; tuttavia i convertitori Dc/Dc e i Led driver a valle dell'alternatore sono soggetti a picchi di tensione transitoria di 36V. Oltre a sopravvivere, questi driver devono continuare a regolare la tensione in uscita e la corrente dei Led per tutto l'evento transitorio.

Protezione contro i cortocircuiti
Nelle luci diurne e nei fari vi sono dai 6 ai 20 Led ad alta luminosità in una sola fila. Considerato che la tensione in ingresso nominale è di 13,8V, e perfino inferiore in alcune condizioni transitorie, in genere per il Led driver si preferisce utilizzare un'architettura 'boost-based' perchè è più efficiente, più semplice e più economica di una configurazione Sepic o buck-boost; eppure fino a poco tempo fa era difficile da proteggere contro i cortocircuiti. Questo aspetto è particolarmente importante nelle applicazioni automotive perchè i Led rischiano di essere danneggiati negli scontri frontali e un arco voltaico può incendiare eventuali chiazze di benzina. Per questo motivo, in passato, la maggior parte delle applicazioni a Led utilizzava una soluzione Sepic che era più costosa e complessa, ma prevedeva la protezione contro i cortocircuiti. In futuro, però, con la comparsa dei nuovi Led driver boost dotati di una robusta protezione contro i cortocircuiti, le applicazioni utilizzeranno questo design per offrire una soluzione più efficiente ed economica.

Problemi dovuti alle interferenze elettromagnetiche
Una riduzione di eventuali interferenze elettromagnetiche dei Led driver va sicuramente a vantaggio del progetto generale del bus di alimentazione. È opportuno abbassare il livello del rumore di commutazione perché solitamente i Led driver si basano su regolatori di commutazione; a tal scopo occorre incorporare la modulazione di frequenza ad ampio spettro.

Un nuovo driver per Led ad alta luminosità per il settore automotive
Per fortuna esiste una nuova soluzione a tutti questi problemi, il Led driver LT3795 di Linear Technology. L'LT3795 è un Led driver Dc/Dc boost in grado di fornire una potenza superiore ai 100W. Il range di tensioni in ingresso compreso tra 6 V e 110 V rende questo dispositivo la soluzione ideale per una vasta gamma di applicazioni che utilizzano Led ad alta luminosità, tra cui sistemi automotive, veicoli commerciali e sistemi avionici. Il rilevamento della corrente sul fronte alto può essere configurato in modalità boost, buck-boost, Sepic e buck, garantendo la massima flessibilità di progettazione. Inoltre la tensione in uscita può essere impostata tra 0 e 110 V consentendo al dispositivo di gestire un'ampia gamma di Led in una sola fila e, allo stesso tempo, offrendo una protezione contro i cortocircuiti semplice e robusta in una configurazione boost.
Integrando il rilevamento della corrente sul fronte alto, l'LT3795 può essere utilizzato in modalità boost, buck, buck-boost o per tipologie SEPIC e flyback. Inoltre offre sia la limitazione che il monitoraggio della corrente in ingresso e in uscita per migliorare ulteriormente l'affidabilità e la flessibilità di progettazione. L'LT3795 ha un rendimento superiore al 94% in modalità boost, rendendo superfluo l'uso di dissipatori di calori esterni. Un pin di regolazione consente all'utente di programmare la frequenza tra 100 kHz e 1 MHz per ottimizzare l'efficienza, riducendo al tempo stesso le dimensioni e il costo dei componenti esterni. La modulazione di frequenza ad ampio spettro può essere attivata per migliorare la compatibilità elettromagnetica riducendo il rumore di commutazione di 20db.
L'LT3795 è dotato di una protezione contro i cortocircuiti integrata che impedisce la commutazione del regolatore in presenza di un cortocircuito, disconnette la fila di Led dall'alimentazione e segnala il cortocircuito al pin ShortLed. Una volta abilitata questa protezione, l'LT3795 può essere programmato per utilizzare la modalità hiccup, per controllare se il cortocircuito è stato rimosso, o la modalità latch-off che attiva il pin EN/Ulvo per riavviare il dispositivo. Questa caratteristica offre una valida protezione contro i cortocircuiti per le applicazioni boost e buck-boost, a prescindere dalla tensione in uscita. La protezione contro i Led aperti e la relativa notifica impediscono che tutti i Led vengano danneggiati in caso di cortocircuito di un solo Led della fila.
La precisione della corrente Led di +3% garantisce un'illuminazione costante nella fila di Led, mentre la precisione della tensione in uscita di + 2% offre diverse funzioni di protezione dei Led e consente al convertitore di funzionare come fonte di tensione costante. L'LT3795 utilizza il dimming Pwm con un rapporto di dimming di 3.000:1 o il dimming analogico con rapporti fino a 20:1. Tra le altre caratteristiche figurano disconnessione delle uscite, monitoraggio/limitazione della corrente in ingresso e uscita e protezione integrata contro i guasti. L'elevato livello di integrazione e il package TSSOP-28 con funzionalità termiche avanzate rendono questo driver molto compatto.

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